الرياضيات تشرح لماذا ينام الأطفال أثناء النهار، وينام المراهقون في وقت متأخر، ويستيقظ كبار السن مبكرًا

هل تساءلت يومًا لماذا ينام الأطفال في بعض الأيام دون غيرهم؟ أو لماذا يستيقظ كبار السن مبكرًا؟ وفقًا لدراسة جديدة من جامعة سري، تُقدم النمذجة الرياضية لتنظيم النوم إجابات غير متوقعة على هذه الأسئلة وغيرها.

في ورقة بحثية نشرت في مجلة npj Biological Timing and Sleep ، قام الباحثون بتحليل البنية الرياضية لنموذج العملية المزدوجة (2PM) لتنظيم النوم، والذي تم اقتراحه لأول مرة في ثمانينيات القرن العشرين. يشرح نموذج 2PM كيف تتشكل أنماط نومنا من خلال عاملين: ضغط النوم، الذي يزداد كلما طالت مدة بقائنا مستيقظين وينخفض أثناء النوم، والإيقاع اليومي لساعتنا البيولوجية الداخلية، والتي تستمر لمدة 24 ساعة تقريبًا.

استخدم فريق جامعة سري الرياضيات لإظهار كيف يعكس نموذج "الساعة الثانية مساءً" عمليات الدماغ أثناء انتقاله بين النوم واليقظة. وأظهروا أن هذا النموذج يُفسر سبب أخذ الأطفال في مراحل نمو معينة قيلولة في أيام محددة فقط - وهي ظاهرة تُعرف بين علماء المذبذبات باسم "سلم الشيطان". ويُفسر النموذج نفسه أنماط النوم لدى الحيوانات.

قام الباحثون أيضًا بدمج رياضيات تحولات النوم والاستيقاظ مع رياضيات تأثير الضوء على الساعة البيولوجية. يساعد هذا النموذج المتكامل على تفسير كيفية تحديد العديد من ظواهر النوم من خلال مزيج من العمليات الفسيولوجية الداخلية والبيئة.

على سبيل المثال، يشرح النموذج سبب ميل المراهقين إلى النوم والاستيقاظ متأخرًا مقارنةً بالأطفال الأصغر سنًا. فالزيادة البطيئة في ضغط النوم أثناء اليقظة تسمح لهم بالبقاء مستيقظين لفترة أطول، كما أن التعرض للضوء الساطع في المساء يؤخر النوم أكثر.

يقدم النموذج أيضًا رؤى جديدة حول أنماط شائعة أخرى. ومن النتائج المفاجئة: قد لا يكون الاستيقاظ المبكر في سن الشيخوخة مدفوعًا بتغيرات الساعة البيولوجية، كما يُعتقد عادةً، بل بكيفية تفاعل الأنظمة المختلفة التي تتحكم في النوم، وكيف تتغير هذه التفاعلات مع التقدم في السن والبيئة والبيولوجيا الفردية.

ويبين عمل الفريق أن نموذج الساعة 2 مساءً + الضوء يوفر نظرة ثاقبة حول سبب صعوبة استيقاظ بعض الأشخاص مبكرًا أو الذهاب إلى الفراش في وقت "مقبول اجتماعيًا" - ليس لأن ساعتهم البيولوجية "مكسورة"، ولكن لأن بيئتهم (الضوئية) أو فسيولوجيتهم تدفعهم إلى النوم في وقت لاحق.

وقالت البروفيسورة آن سكيلدون، رئيسة كلية الرياضيات بجامعة سري والمؤلفة الرئيسية للدراسة:

يُقدّم هذا النموذج أملاً في فهم أفضل لمشاكل النوم وإيجاد حلول لها. باستخدام الرياضيات، يُمكننا أن نرى كيف تُؤثّر التغييرات البسيطة في الإضاءة أو الروتين أو العوامل البيولوجية على أنماط النوم، ونختبر طرقاً عملية لتحسين النوم للجميع. هذه خطوة نحو حلول أكثر تخصيصاً وفعاليةً تُحسّن جودة حياة الناس.

وباستخدام الرياضيات، أظهر الباحثون أن نموذج الضوء عند الساعة 2 مساءً يتصرف مثل نظام من المذبذبات غير الخطية - مذبذب النوم والاستيقاظ، وتذبذبات الساعة البيولوجية، ونمط الضوء/الظلام الذي يصل إلى الدماغ من خلال العينين.

يوضح العلماء أن مذبذب النوم والاستيقاظ لا يتبع عادة إيقاعًا مدته 24 ساعة، ولكن التفاعل مع الساعة البيولوجية ودورات الضوء هو الذي يساعدنا على البقاء متزامنين مع دورة الليل والنهار من خلال عملية تُعرف باسم "التزامن".

لاستكشاف هذه التفاعلات التذبذبية بشكل أعمق، أجرى العلماء محاكاة رياضية باستخدام نموذج الساعة الثانية ظهرًا مع ضوء النهار. أظهرت المحاكاة أن البقاء في الداخل معظم اليوم مع تشغيل الأضواء الساطعة مساءً يُعطّل نظام التذبذب، وبالتالي النوم. سمح لهم هذا بالتنبؤ بعدد من السلوكيات، مثل نوبات النوم بعد التعرض للضوء في المساء أو صعوبة الحصول على نوم منتظم.

وأضاف البروفيسور ديرك جان ديك، المؤلف المشارك في الدراسة ومدير مركز أبحاث النوم بجامعة سري:

يُظهر هذا العمل كيف يُمكن للرياضيات أن تُسلِّط الضوء على عمليات مُعقَّدة وشخصية كالنوم. باستخدام البيانات والنماذج المُناسبة، يُمكننا تقديم توصيات أفضل وتطوير تدخلات جديدة لتحسين النوم لدى الأشخاص الذين تُعطَّل راحتهم بسبب الروتين المُعاصر أو الشيخوخة أو المرض.